水处理原理及工艺课件-物理化学处理法2-离子交换、吸附

1、1水处理原理与工艺水处理原理与工艺2 第一章第一章 水处理方法概论水处理方法概论 第二章第二章 物理处理法工艺原理物理处理法工艺原理 第三章第三章 化学处理法工艺原理化学处理法工艺原理 第四章第四章 物理化学处理法工艺原理物理化学处理法工艺原理 第五章第五章 生物处理法工艺原理生物处理法工艺原理 第六章第六章 污水的深度处理技术污水的深度处理技术 第七章第七章 工业循环冷却水的水质处理与控制工业循环冷却水的水质处理与控制3第四章第四章 物理化学处理法工艺原理物理化学处理法工艺原理41、混凝 物化处理法应用的场合很多，多用在废水的深度处理中，在自来水的常规处理工艺以及工业给水的处理工艺中，也常见

2、到物化的处理技术。2、离子交换3、吸附4、萃取5、膜分离5离子交换法离子交换法 利用固相离子利用固相离子交换剂功能基团所交换剂功能基团所带的可交换离子，带的可交换离子，与接触交换剂的溶与接触交换剂的溶液中相同电性的离液中相同电性的离子进行交换反应，子进行交换反应，以达到离子置换、以达到离子置换、分离、去除、浓缩分离、去除、浓缩等目的。等目的。2、离子交换6（1）工业用水处理中，离子交换法占有很重要的位置，是水的软化除盐处理最常使用的方法；（2）工业废水处理中，离子交换法主要用以回收重金属离子，如处理含铬废水，含钼再生液，也用于放射性废水和有机废水的处理。优点：去除率高、可浓缩回收有用物质、设备

3、较简单、操优点：去除率高、可浓缩回收有用物质、设备较简单、操作控制容易；作控制容易；缺点：应用范围受到离子交换剂品种、性能、成本的限制，缺点：应用范围受到离子交换剂品种、性能、成本的限制，对预处理要求较高，离子交换剂的再生及再生液的处理较对预处理要求较高，离子交换剂的再生及再生液的处理较难。难。7离子交换剂的种类 根据母体材质的不同，离子交换剂可以分为根据母体材质的不同，离子交换剂可以分为无机离子交换剂和有机离子交换剂两大类。无机离子交换剂和有机离子交换剂两大类。无机离子交换剂无机离子交换剂：沸石、磺化煤等，用得不多；：沸石、磺化煤等，用得不多；有机离子交换剂有机离子交换剂：又称离子交换树脂，

4、一种高分：又称离子交换树脂，一种高分子聚合物电解质，使用最广泛。子聚合物电解质，使用最广泛。2.1 离子交换剂89 10网状结网状结构的高分构的高分子骨架子骨架接在骨接在骨架上的功架上的功能基团能基团相反电相反电荷的可交荷的可交换离子换离子含水体系含水体系H2CHCH2CH2CHCH2CCHHCCHSO3NaNaO3S离子交换树脂的结构11凝胶型树脂凝胶型树脂：由苯乙烯和二乙烯基苯（：由苯乙烯和二乙烯基苯（DVBDVB，交联剂）混，交联剂）混合物在引发剂存在下进行自由基悬浮聚合，得到具有交联合物在引发剂存在下进行自由基悬浮聚合，得到具有交联网状结构的聚合体，这种聚合体一般是呈透明状态的，无网状

5、结构的聚合体，这种聚合体一般是呈透明状态的，无孔的凝胶型树脂。吸水溶胀。孔的凝胶型树脂。吸水溶胀。 交联度：交联度：DVBDVB加入量占单体总量的百分数，表示网状结构加入量占单体总量的百分数，表示网状结构粗密的尺度。粗密的尺度。 高交联度树脂（高于高交联度树脂（高于8 8交联度），溶胀度较低交联度），溶胀度较低大孔型树脂大孔型树脂：在凝胶型树脂的基础上发展起来的，通过：在凝胶型树脂的基础上发展起来的，通过加入适量的致孔剂，使在网状骨架固化和链节结构单元形加入适量的致孔剂，使在网状骨架固化和链节结构单元形成的过程中，填垫惰性分子，预先留下孔道而形成的，在成的过程中，填垫惰性分子，预先留下孔道而形

6、成的，在骨架固定后，再抽走致孔剂，便留下不受干湿或缩涨影响骨架固定后，再抽走致孔剂，便留下不受干湿或缩涨影响的永久性孔道。的永久性孔道。离子交换树脂的分类按树脂骨架12离子交换树脂离子交换树脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂其他离子交换树脂其他离子交换树脂强酸型强酸型中强酸型中强酸型弱酸型弱酸型强碱强碱I型型强碱强碱II型型弱碱型弱碱型鳌合树脂鳌合树脂氧化还原树脂氧化还原树脂阴阳两性树脂阴阳两性树脂-SO3H-PO(OH)2-COOH-N+(CH3)3Cl-NH2 , -NRH-NR2鳌合基鳌合基氧化还原基氧化还原基阴阳两阴阳两性基性基N+(CH3)2（CH2CH2OH

7、）离子交换树脂的分类按功能基特性13交联度：交联度：DVBDVB加入量占单体总量的百分数，表示网状结构粗加入量占单体总量的百分数，表示网状结构粗密的尺度。密的尺度。低交联度低交联度：交联度在：交联度在2 24 4；一般交联度一般交联度：交联度：交联度7 78 8；高交联度高交联度：交联度：交联度12122020。离子交换树脂的分类按交联度14 根据离子交换树脂功根据离子交换树脂功能基的性质，将其分为能基的性质，将其分为强酸、弱酸、强碱、弱强酸、弱酸、强碱、弱碱、螯合、两性和氧化碱、螯合、两性和氧化还原还原等七类。等七类。 全称由全称由分类名称分类名称，骨骨架架( (或基团或基团) )名称名称，

8、基本基本名称名称( (离子交换树脂离子交换树脂) )排排列组成。凡属酸性的应列组成。凡属酸性的应在基本名称前加在基本名称前加“阳阳”字；凡属碱性，在基本字；凡属碱性，在基本名称名称-1-前前加加“阴阴”字。字。 离离子子交换树脂的型交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组号由三位阿拉伯数字组成，第一位代表成，第一位代表产品的产品的分类分类，第二位数，第二位数字代表字代表骨架的差异骨架的差异，第三位为，第三位为顺序号顺序号 ，用以区别基团，用以区别基团，交联度等不同。交联度等不同。 -2-离子交换树脂的命名15第一、二位数字的含义第一、二位数字的含义离子交换产品分类、骨架代号离子交换产品分类、骨架代号分

9、类代号分类代号分类名称分类名称骨架代号骨架代号骨架名称骨架名称0 0强酸强酸0 0苯乙烯系苯乙烯系1 1弱酸弱酸1 1丙烯酸系丙烯酸系2 2强碱强碱2 2酚醛系酚醛系3 3弱碱弱碱3 3环氧系环氧系4 4鳌合鳌合4 4乙烯吡啶系乙烯吡啶系5 5两性两性5 5脲醛系脲醛系6 6氧化还原氧化还原6 6氯乙烯系氯乙烯系16凡凡大孔型大孔型离子交换树脂，离子交换树脂，在型号前加在型号前加“大大”字的汉字的汉语拼音首位字母语拼音首位字母“D”表表示。示。 D 3 0 1分类代号分类代号骨架代号骨架代号顺序号顺序号大孔型代号大孔型代号凝胶型凝胶型交换树脂，在型号交换树脂，在型号后面用后面用“”号联接阿拉号

10、联接阿拉伯数字表示交联度。伯数字表示交联度。 0 0 1 7分类代号分类代号骨架代号骨架代号顺序号顺序号联接符号联接符号交联度交联度大孔弱碱性苯乙烯系阴离大孔弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂子交换树脂 强酸性苯乙烯系阳离子交强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂换树脂 17 离子交换树脂的合成在方法上可分为离子交换树脂的合成在方法上可分为加聚型加聚型和和缩聚型缩聚型。目前用量最多的是加聚型离子交换树脂，其中又以交联聚目前用量最多的是加聚型离子交换树脂，其中又以交联聚苯乙烯系和交联聚丙烯酸系为主。聚苯乙烯系占离子交换苯乙烯系和交联聚丙烯酸系为主。聚苯乙烯系占离子交换树脂总用量的树脂总用量的95%95%以上。以

11、上。 大多数离子交换树脂的合成都是先以悬浮共聚的方大多数离子交换树脂的合成都是先以悬浮共聚的方法合成交联共聚球珠（法合成交联共聚球珠（母体母体），再通过一定的化学反应引），再通过一定的化学反应引入所需要的入所需要的离子交换基团离子交换基团。 离子交换树脂的合成通过在聚合过程中通过在聚合过程中加入或不加入致孔剂的制备方法加入或不加入致孔剂的制备方法，可使，可使得到的母体有大孔型或凝胶型的物理结构。得到的母体有大孔型或凝胶型的物理结构。18交换选择性交换选择性交换容量交换容量粒度粒度密度密度交联度交联度含水量含水量溶胀性（转型膨胀率）溶胀性（转型膨胀率）机械强度机械强度耐热性耐热性孔结构孔结构离子

12、交换树脂的性能指标19(1) 交换选择性交换选择性 离子交换树脂对于水溶液中某种离子优先交换的性能，称为树脂的交换选择性，又称为交换势，与水中离子的种类、离子交换基团的性能、水中该离子的浓度等因素有关。 在天然水的离子浓度和温度条件下，离子交换选择性的一些规律：离子的交换势随溶液中离子价数的增加而增加；价数相同时，随原子序数的增加而增加。20强碱树脂强碱树脂强酸树脂强酸树脂弱酸树脂弱酸树脂弱碱树脂弱碱树脂ThTh4+4+FeFe3+ 3+ CaCa2+ 2+ MgMg2+2+NHNH4 4+ + K K+ + NaNa+ + H H+ + LiLi+ +H H+ +FeFe3+3+AlAl3+

13、3+CaCa2+2+ MgMg2+2+KK+ + =NH=NH4 4+ +NaNa+ + LiLi+ +POPO4 43-3-SOSO4 42-2-NONO3 3- -ClCl- - OHOH- -FF- - HCOHCO3 3- -HSIOHSIO3 3- -OHOH- - SOSO4 42-2-NONO3 3- -ClCl- - HCOHCO3 3- -21交换势随离子浓度的增加而增大，高浓度的低价离子甚至可以把高价离子置换下来，这就是离子交换树脂能够再生的依据；H+离子和OH-离子的交换势，取决于他们与固定离子所形成的酸或碱的强度，强度越大，交换势越小。金属在溶液中呈络阴离子存在时，一般

14、来说，交换势降低。22(2) 交换容量交换容量树脂的交换能力用交换容量来衡量，表示树脂所能树脂的交换能力用交换容量来衡量，表示树脂所能交换的交换离子数量，单位交换的交换离子数量，单位mol/g或或mol/m3 交换容量的表示方法有如下几种：全交换容量：离子交换树脂内部全部可交换的活性基团的数量，此值决定于树脂内部组成，与外界溶液条件无关，是一个常数，可用滴定法测定。23 平衡交换容量：在一定的外界溶液条件下，交换反应达到平衡状态时，交换树脂所能交换的离子数量，其值随外界条件变化而异。工作交换容量：树脂在使用中实际表现出来的交换容量。其值远小于全交换容量。 树脂的全交换容量最大，平衡交换容量次之

15、，树脂的全交换容量最大，平衡交换容量次之，工作交换容量最小。工作交换容量最小。24(3) 树脂的粒度树脂的粒度树脂的粒度对交换速度、水流阻力和反洗有很大影响，树脂的粒度对交换速度、水流阻力和反洗有很大影响，粒度大，交换速度慢，交换容量低；粒度小，水流阻粒度大，交换速度慢，交换容量低；粒度小，水流阻力大。因此，粒度大小要适当，分布要合理。力大。因此，粒度大小要适当，分布要合理。 一般树脂的粒径位0.31.2mm，有效粒径(d10)位0.360.61，均一系数（d40/d90)为1.221.66，越接近1，说明粒度越均匀。25(4) 树脂的密度树脂的密度 树脂密度是设计交换柱、确定反冲洗强度的重要

16、树脂密度是设计交换柱、确定反冲洗强度的重要指标，也是影响树脂分层的主要因素。指标，也是影响树脂分层的主要因素。湿真密度：树脂在水中充分溶解后的质量与真体积（不包括颗粒孔隙体积）之比，一般为1.041.3g/mL。湿视密度：树脂在水中溶解后的质量与堆积体积之比，一般为0.600.85g/mL。 一般来说，阳树脂的密度大于阴树脂。26(5) 树脂的交联度树脂的交联度树脂的交联度对树脂的许多性能有广泛的影响： 随交联度的增加，树脂结构紧密，微孔小，树脂含水量降低，溶胀度减小，离子交换速度下降，在催化反应中活性降低；但在另一方面，树脂对离子的选择性会有所增加，机械强度改善，耐化学药品和氧化性能提高。水

17、处理中常用的树脂的交联度为710，此时，树脂网架中平均孔隙大小约为24nm。27(6) 树脂的含水量树脂的含水量 在水中充分溶胀的湿树脂所含溶胀水重占湿树脂重的百分比，一般在50左右。 含水量主要取决于树脂的交联度、活性基团的类型和数量等。交联度越小，树脂中的孔隙就越大，含水量也相应增加。28(7) 树脂的溶胀性能树脂的溶胀性能指干树脂浸入水中，由于活性基团的水合作用使交联网孔增大，体积膨胀的现象。树脂的交联度越小，活性基团数量越多，越易离解，可交换离子水合半径越大，其溶胀率也越大。转型膨胀率（）:树脂从一种型号转为另一种型号时体积变化的百分数。在交换容器的设计时需预留空间。 一般地，苯乙烯系

18、阳树脂从Na型转为H型，转型膨胀率510；苯乙烯系阴树脂从Cl型转为OH型，膨胀率1020；丙烯酸系阳树脂的转型膨胀率很高，由H型转为Na型膨胀率约为6070%。29(8) 其他性能指标其他性能指标机械强度：反映树脂保持颗粒完整性的能力。主要取决于交联度和溶胀率。交联度越大，溶胀率越小，则机械强度越高；耐热性：若操作温度过高，易使活性基团分解，从而影响交换容量和使用寿命；温度过低，树脂内水分冻结，使颗粒破裂。通常控制在540为宜。孔结构：主要针对大孔型树脂而言，大孔树脂的交换容量、交换速度等性能均与孔结构有关。常用离子交换树脂的性能，表常用离子交换树脂的性能，表152 30 在离子交换树脂的实

19、际应用中，选用合适的树脂很重要。在离子交换树脂的实际应用中，选用合适的树脂很重要。通常要求选用具有通常要求选用具有体积交换容量高体积交换容量高、选择性高选择性高、再生性能好再生性能好和和使用寿命长使用寿命长的树脂。的树脂。 离子交换树脂的选用主要考虑以下两方面：离子交换树脂的选用主要考虑以下两方面：(1) (1) 树脂种类的选择；树脂种类的选择；(2) (2) 树脂功能基与离子型式的选用树脂功能基与离子型式的选用 。离子交换树脂的选择31如果被交换的离子是如果被交换的离子是无机阳离子或有机碱阳离子无机阳离子或有机碱阳离子，则选用，则选用阳阳离子交换树脂离子交换树脂；如果被交换的离子是如果被交换

20、的离子是无机阴离子或有机酸根无机阴离子或有机酸根，则用，则用阴离子交阴离子交换树脂换树脂；如果被交换如果被交换的离子是的离子是络阴离子络阴离子(FeCl4- 、FeCl52-)、络阳离子、络阳离子(Cu(NH3)42+)，则分别用阴、阳离子交换树脂，则分别用阴、阳离子交换树脂；如在大量的一价金属离子存在下除去二价及二价以上的离子如在大量的一价金属离子存在下除去二价及二价以上的离子(饱和饱和NaCl 、KCl 等溶液等溶液的精制的精制) ) ，可选用含用亚氨二乙酸基、，可选用含用亚氨二乙酸基、氨基磷酸螯合基的螯合树脂。氨基磷酸螯合基的螯合树脂。32 对于离解常数较小对于离解常数较小( (pK值大

21、于值大于5) )的酸，例如，硅酸、碳酸、的酸，例如，硅酸、碳酸、硼酸、氢硫酸，它们不与弱碱树脂起作用，能与强碱树脂作用，硼酸、氢硫酸，它们不与弱碱树脂起作用，能与强碱树脂作用，洗脱也容易进行。洗脱也容易进行。 彻底去除微量杂质时，要用强型树脂。彻底去除微量杂质时，要用强型树脂。 如杂质多而不要求彻底除尽时，可选用弱型树脂。如杂质多而不要求彻底除尽时，可选用弱型树脂。 去除特定离子，最好选用有高度选择性的螯合树脂。去除特定离子，最好选用有高度选择性的螯合树脂。 33 树脂宜在树脂宜在0 04040下存放，当环境温度低于下存放，当环境温度低于0 0 或发现树脂或发现树脂脱水后，应向包装袋内加入饱和

22、食盐水浸泡；对长时期停运而脱水后，应向包装袋内加入饱和食盐水浸泡；对长时期停运而闲置在交换器中的树脂应定期换水；闲置在交换器中的树脂应定期换水； 通常通常强性树脂以盐型保存，弱酸树脂以氢型保存，弱碱树强性树脂以盐型保存，弱酸树脂以氢型保存，弱碱树脂以游离胺型保存脂以游离胺型保存，性能最稳定。，性能最稳定。离子交换树脂的保存34 树脂在使用前都要进行预处理，以除去杂质，最好分别用树脂在使用前都要进行预处理，以除去杂质，最好分别用水、水、5HCl、24NaOH反复浸泡反复浸泡清洗两次，每次清洗两次，每次4 48h8h。 离子交换树脂的预处理 离子交换树脂的鉴别 参见教材参见教材P215表表1533

23、5 离子交换反应是离子交换反应是可逆反应可逆反应，这种可逆反应并不是在均相溶液中，这种可逆反应并不是在均相溶液中进行，而是在固态树脂和水溶液进行，而是在固态树脂和水溶液( (或亲水有机溶剂或亲水有机溶剂) )的界面间。的界面间。 R R-SO-SO3 3- -SO-SO3 3- -SO-SO3 3- -SO-SO3 3- -SO-SO3 3- -SO-SO3 3- -NaNa+ +NaNa+ +NaNa+ +NaNa+ +NaNa+ +NaNa+ +3C+3C2+ 2+ +6Cl+6Cl- -+ +6N6N+ + +6Cl+6Cl- -R R-SO-SO3 3- -SO-SO3 3- -SO-

24、SO3 3- -SO-SO3 3- -SO-SO3 3- -SO-SO3 3- -C C2+2+C C2+2+C C2+2+离子交换反应的界面过程离子交换反应的界面过程离子交换平衡2.2 离子交换原理36 在水溶液中，离子交换树脂可解离出在水溶液中，离子交换树脂可解离出NaNa+ +(A(A+ +),),并扩散到溶液并扩散到溶液中。同时，溶液中中。同时，溶液中CaCa2+2+(B(B2+2+) )也能扩散到整个树脂结构的内部，也能扩散到整个树脂结构的内部，这两种离子间的这两种离子间的浓度差浓度差推动着它们之间的交换，浓度差越大，推动着它们之间的交换，浓度差越大，交换速度就越快，当这种交换反应进

25、行到一定程度，就建立了交换速度就越快，当这种交换反应进行到一定程度，就建立了离子交换平衡离子交换平衡: :（树脂和溶液中都同时存在（树脂和溶液中都同时存在B B2+2+和和A A+ +两种离子）两种离子） 2R-A+B2+ R2B+2A+37 一个离子交换平衡反应是否有实际意义，在很大程度上依靠一个离子交换平衡反应是否有实际意义，在很大程度上依靠树脂的选择性。树脂的选择性。 K值越大，吸着量越大，即溶液中的值越大，吸着量越大，即溶液中的B2+离子的去除率就越高。离子的去除率就越高。根据根据K值的大小，可以判断离子交换树脂对某种离子吸着选择性值的大小，可以判断离子交换树脂对某种离子吸着选择性的强

26、弱，所以的强弱，所以K值又称为离子交换平衡选择系数，又称分配系数值又称为离子交换平衡选择系数，又称分配系数或交换势。或交换势。 树脂对离子具有不同的亲和能力，对亲和能力强的离子优先树脂对离子具有不同的亲和能力，对亲和能力强的离子优先选择，和它结合力强使之不易泄漏。但由于结合牢固，再生时，选择，和它结合力强使之不易泄漏。但由于结合牢固，再生时，该离子被置换下来就很困难。该离子被置换下来就很困难。 2R-A+B2+ R2B+2A+2222 R B AKRAB选择系数选择系数38 离子交换的可能与否，在很大程度下依赖于树脂的选择性和离子交换的可能与否，在很大程度下依赖于树脂的选择性和交换量，实际应用

27、中，树脂的交换量并非能够全部表现出来，其交换量，实际应用中，树脂的交换量并非能够全部表现出来，其工作交换容量一般小于总交换量。原因可能受控于溶液的工作交换容量一般小于总交换量。原因可能受控于溶液的pHpH值、值、树脂的溶胀性能和离子交换速度，而树脂的溶胀性能和离子交换速度，而离子交换速度则往往影响离离子交换速度则往往影响离子交换的效果，决定着离子交换树脂的交换能力是否能够充分发子交换的效果，决定着离子交换树脂的交换能力是否能够充分发挥。挥。离子交换树脂的应用常常是在动态下进行的，因此控制好离离子交换树脂的应用常常是在动态下进行的，因此控制好离子交换速度对离子交换的进行显得更为重要。子交换速度对

28、离子交换的进行显得更为重要。 现以钠型离子交换树脂与溶液中现以钠型离子交换树脂与溶液中CaCa2+2+进行交换为例，来阐明进行交换为例，来阐明离子交换速度对离子交换反应的影响。离子交换速度对离子交换反应的影响。 离子交换速度39 Ca Ca2+2+从溶液通过树脂表面的液膜从溶液通过树脂表面的液膜( (或边界层或边界层) )，到达树脂表面。，到达树脂表面。 Ca Ca2+2+从树脂表面向树脂孔道中迁移，并达到有效的交换拉置。从树脂表面向树脂孔道中迁移，并达到有效的交换拉置。 在交换点上在交换点上CaCa2+2+与与NaNa+ +进行交换反应。进行交换反应。 Na Na+ +从树脂内部迁移从树脂内

29、部迁移到树脂表面。到树脂表面。 Na Na+ +穿过树脂表面的穿过树脂表面的液膜进入水溶液。液膜进入水溶液。 40 通常认为第三步通常认为第三步( (交换点上的交换反应交换点上的交换反应) )可以在瞬间完成，可以在瞬间完成，它不能决定离子交换的速度。在第一步中它不能决定离子交换的速度。在第一步中CaCa2+2+在溶液中迁移受到在溶液中迁移受到相反离子的吸附力和相同离子的排斥作用，穿过一层包围树脂相反离子的吸附力和相同离子的排斥作用，穿过一层包围树脂的液膜达到树脂表面，这一过程又称的液膜达到树脂表面，这一过程又称膜扩散过程膜扩散过程。此膜叫。此膜叫NerstNerst膜膜，通称为，通称为液膜液膜

30、。此膜中的离子浓度不受机械外力作用的影响。此膜中的离子浓度不受机械外力作用的影响。在交换柱中，过程液体流速加快，膜的厚度将减少。第二步又在交换柱中，过程液体流速加快，膜的厚度将减少。第二步又称称粒内扩散粒内扩散。膜扩散和粒内扩散的速度控制了离子交换的速度。膜扩散和粒内扩散的速度控制了离子交换的速度。 41影响膜扩散和粒内扩散的主要因素是：影响膜扩散和粒内扩散的主要因素是： 溶液流速溶液流速 膜扩散随溶液过柱流速膜扩散随溶液过柱流速( (或静态搅拌速度或静态搅拌速度) )的的增加而增加，粒内扩散基本不受流速或搅拌的影响。增加而增加，粒内扩散基本不受流速或搅拌的影响。 树脂粒度（孔结构）树脂粒度（

31、孔结构） 离子的膜扩散速度与树脂颗粒大离子的膜扩散速度与树脂颗粒大小成反比；离子的粒内扩散速度与粒径的高次方成反比，小成反比；离子的粒内扩散速度与粒径的高次方成反比，与孔径大小有关。与孔径大小有关。 离子浓度（体积大小）离子浓度（体积大小） 当溶液中离子浓度当溶液中离子浓度较低较低时，对时，对膜扩散速度影响较大，而对粒内扩散影响较小；当溶液中膜扩散速度影响较大，而对粒内扩散影响较小；当溶液中离子浓度离子浓度较高较高时，对粒内影响较大，而对膜扩散影响较小；时，对粒内影响较大，而对膜扩散影响较小；当离子的体积较小时，在凝胶型和大孔型树脂中的扩散系当离子的体积较小时，在凝胶型和大孔型树脂中的扩散系数

32、相差很小，但对于体积较大的离子，只有在大孔树脂中数相差很小，但对于体积较大的离子，只有在大孔树脂中才有较大的扩散系数。才有较大的扩散系数。42 树脂的交联度。树脂的交联度。树脂的交联度对膜扩散影响较小，树脂的交联度对膜扩散影响较小，而对粒内扩散影响更为显著，交联度增加，扩散系数而对粒内扩散影响更为显著，交联度增加，扩散系数减小。减小。水温：水温：提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜变薄，有利于离子扩散；小，液膜变薄，有利于离子扩散；被交换离子的电荷数和水合离子的半径被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，颗粒越大，颗粒内孔扩散速度越慢。试验证明，

33、阳离子每增加一个电内孔扩散速度越慢。试验证明，阳离子每增加一个电荷，其扩散速度就减慢到原来的荷，其扩散速度就减慢到原来的1/101/10。43提高离子膜扩散速度的措施提高离子膜扩散速度的措施(1) (1) 加快交换体系搅拌速度或提高溶液的过流速度，以减低树加快交换体系搅拌速度或提高溶液的过流速度，以减低树脂表面的膜层厚度。脂表面的膜层厚度。(2) (2) 提高溶液中的离子浓度。提高溶液中的离子浓度。(3) (3) 增大交换剂的表面积，即减小树脂的粒度。增大交换剂的表面积，即减小树脂的粒度。(4) (4) 提高交换体系的温度，以加快扩散速度。提高交换体系的温度，以加快扩散速度。加快离子粒内扩散速

34、度的措施加快离子粒内扩散速度的措施(1) (1) 降低凝胶树脂的交联度，增加大孔树脂的致孔剂，以此提降低凝胶树脂的交联度，增加大孔树脂的致孔剂，以此提高树脂的孔隙率、孔度和高树脂的孔隙率、孔度和溶胀度溶胀度，有利于离子的扩散。，有利于离子的扩散。(2) (2) 提高交换体系温度，以加快扩散速度。提高交换体系温度，以加快扩散速度。(3) (3) 离子在孔隙内的扩散速度还与离子自身性质有关，离子价离子在孔隙内的扩散速度还与离子自身性质有关，离子价数越低或离子半径越小，则其扩散速度越快。数越低或离子半径越小，则其扩散速度越快。 44 扩散过程通常可用菲克（扩散过程通常可用菲克（FickFick）第一

35、定律或第二）第一定律或第二定律来描述，由此可推导出粒内扩散方程和液膜扩散定律来描述，由此可推导出粒内扩散方程和液膜扩散方程，很多计算结果表明：方程，很多计算结果表明： 在在水的软化或强酸强碱树脂交换除盐水的软化或强酸强碱树脂交换除盐过程中，交过程中，交换过程一般为换过程一般为液膜液膜所控制。所控制。再生过程再生过程则多为则多为粒内扩散粒内扩散所控制。所控制。弱酸弱碱的离子交换弱酸弱碱的离子交换过程一般为过程一般为粒内扩散粒内扩散的的控制控制。45（1）交换阶段交换阶段利用离子交换利用离子交换树脂的交换能树脂的交换能力，从废水中力，从废水中分离脱除需要分离脱除需要去除的离子。去除的离子。（2）反

36、洗阶段反洗阶段（3）再生阶段再生阶段（4）清洗阶段清洗阶段 目的是松动树脂，目的是松动树脂，使再生液能均匀渗使再生液能均匀渗入层中，与交换剂入层中，与交换剂颗粒充分接触；把颗粒充分接触；把过滤过程中产生的过滤过程中产生的破碎粒子和截留的破碎粒子和截留的污物冲走。污物冲走。 洗涤残留洗涤残留的再生液和再的再生液和再生时可能出现生时可能出现的反应产物。的反应产物。2.3 离子交换工艺过程 离子交换是在装有离子交换剂的交换柱或塔或罐内进行的。离子交换是在装有离子交换剂的交换柱或塔或罐内进行的。 46（1）交换阶段 以树脂RA处理含B离子的废水为例，当废水进入交换柱后，首先与顶层的树脂接触并进行交换，

37、B离子被吸着而A离子被交换下来；废水继续流过下层树脂时，水中B离子浓度逐渐降低，而A离子浓度却逐渐升高。当废水流经一段滤层后，全部B离子被交换成A离子，再往下便无变化地流过其余的滤层，此时出水中的B离子浓度为0。47 这样，整个树脂层就形成了上部饱和层（失效层）、中部工作层、下部新料层三个部分。到某一时刻，工作层的前沿达到树脂层的下端时，出水中开始出现B离子，此时称为“穿透点”；若再继续运行，出水中的B离子越来越高，直到与进水浓度相等，此时称达到了“饱和点”。48 一般水处理中，交换柱到穿透点时就要停止工作，进行树脂再生。但为了充分利用树脂的交换能力，可以采用所谓“串联柱全饱和工艺”，如图示。

38、ABC49 树脂的利用率取决于工作层的厚度和整个树脂层的高宽尺寸比例。工作层的厚度越小，树脂利用率越高。工作层的厚度随工作条件而变化，主要取决于离子供应速度和离子交换速度的相互关系。离子供应速度决定于过滤速度。 对于给定的树脂和废水，离子交换速度基本上是一个定值，显然，离子供应速度小于或等于离子交换速度时，工作层厚度就小，树脂的利用率就高。 因此，离子交换速度的过滤速度是一个重要的工艺参数，过滤阶段的滤速和进水水质、出水水质及阻力损失等因素有关。对一定的进出水水质而言，往往有一个较优的滤速值。50（2）反洗阶段 离子交换过程完成后需进行反冲洗。 反冲洗的目的： 1）松动树脂层，使再生液能均匀渗

39、入层中，与交换剂颗粒充分接触； 2）把过滤过程中产生的破碎粒子和截留的污物冲走，为了达到这个目的，树脂层在反冲洗时要膨胀3040%。冲洗水可用自来水或废再生液。51（3）再生阶段 树脂失效后，必须再生才能再使用。通过再生，一方面可恢复树脂的交换能力，另一方面可回收有用物质。再生是交换的逆过程。通过浓度差实现。1）再生剂的种类： 再生剂的选择要考虑既有利于再生液的回收利用，又要求再生效率高，洗脱速度快，价廉易得。如对于强酸性阳树脂用HCl或硫酸等强酸及NaCl、Na2SO4再生；对于弱酸性阳树脂用HCl或H2SO4再生；对强碱性阴树脂用NaOH等强碱或NaCl再生；对于弱碱性阴树脂用NaOH、N

40、a2CO3、NaHCO3等再生；522）再生剂用量： 理论上，1eq的再生剂可以恢复树脂1eq的交换容量，实际上再生剂的用量要比理论上大得多，通常为25倍；当再生剂用量一定时，适当增加再生剂浓度，可以提高再生效率，但浓度太高，会缩短再生液与树脂的接触时间，反而降低再生效率，所以，再生剂用量及浓度均存在最佳值，需通过试验来确定。（ref P220，表15-4及图15-8）3）再生方式：顺流再生：设备简单，操作方便，工作可靠；但再生剂用量多，再生效率低；逆流再生：再生剂耗量少（比顺流法少40左右），再生效率高，但设备较复杂，操作控制较严格。53（4）清洗阶段 清洗的目的是洗涤残留的再生液和再生时可

41、能出现的反应产物。 清洗的水流速度应先小后大，清洗过程后期应特别注意掌握清洗终点的pH值（尤其是弱性树脂转型之后的清洗），避免重新消耗树脂的交换容量； 一般而言，清洗用水为树脂体积的413倍，淋洗水流速为24m/h。54床层固定不床层固定不变，水流由变，水流由上而下流动。上而下流动。工作时，定期从交工作时，定期从交换柱排出部分失效换柱排出部分失效树脂，送到再生柱树脂，送到再生柱再生，同时补充等再生，同时补充等量的新鲜树脂参与量的新鲜树脂参与工作。工作。交换树脂再交换树脂再连续移动中连续移动中实现交换和实现交换和再生。再生。2.4 离子交换设备5556固定床离子交换器固定床离子交换器57移动床离

42、子交换器移动床离子交换器58流动床离子交换器流动床离子交换器59（1 1）根据排放标准与出水的去向和用途以及受纳水域）根据排放标准与出水的去向和用途以及受纳水域的水质功能，确定经离子交换处理后出水的水质要求；的水质功能，确定经离子交换处理后出水的水质要求；（2 2）根据废水水量、水质及处理的要求，选择交换器）根据废水水量、水质及处理的要求，选择交换器的类型，设计系统布置方案，确定合理的处理流程；的类型，设计系统布置方案，确定合理的处理流程；（3 3）实验选择离子交换树脂、再生剂种类，确定树脂）实验选择离子交换树脂、再生剂种类，确定树脂的交换容量和再生剂用量；的交换容量和再生剂用量；（4 4）确

43、定的合理工艺参数，并进行相关计算。）确定的合理工艺参数，并进行相关计算。2.5 离子交换系统的设计601）树脂用量的初步计算 选定交换周期T(h)，按下式计算一个交换周期内应去除的污染物总量N(mol)： NQ(C0-C)T 式中，Q废水平均流量，m3/h； C0、C分别为废水初始浓度和出水残留浓度，mol/m3 再根据选定的树脂工作交换容量E(mol/m3)，计算所需的树脂体积VR(m3): VRN/E 最后，根据树脂的湿视密度(kg/m3)，计算树脂质量M(kg): M=VR612）交换柱主要尺寸的计算 先选定树脂层的高度HR（一般为0.701.50m），再根据VR和HR计算交换柱的直径D

44、(m)，交换柱的总高度H： H(1.82.0)HR 3）核算过滤速度 按照下式核算过滤线速度v是否合适： v=Q/F=4Q/D2如果计算出的滤速与一般经验值相差太大，就得重新计算。 62堵塞、堵塞、包裹包裹废水中废水中悬浮物悬浮物 与固定与固定离子牢固离子牢固结合结合有机物有机物 引起树引起树脂中毒脂中毒高价金高价金属离子属离子强酸和强碱强酸和强碱树脂交换能树脂交换能力基本上与力基本上与pH无关。无关。 弱酸或弱碱弱酸或弱碱性树脂在性树脂在pH高或低时才高或低时才能得到较大能得到较大的交换能力。的交换能力。pH值值 加速树加速树脂的老化脂的老化与分解与分解氧化剂氧化剂2.6 影响离子交换能力的

45、因素63用用Na型强酸性阳离子交换树脂型强酸性阳离子交换树脂RNa中的中的Na+交换去除水中的交换去除水中的Ca2+、Mg2+硬度，饱和的树脂用硬度，饱和的树脂用58的食盐的食盐NaCl溶液再生。溶液再生。2.7 离子交换在软化除盐中的应用离子交换软化 2RNa+Ca2+ R2Ca+2Na+ 其软化工艺分为只去除硬度的软化工艺和同时去除硬度其软化工艺分为只去除硬度的软化工艺和同时去除硬度和碱度的软化除碱工艺。和碱度的软化除碱工艺。641）钠树脂(RNa)软化 采用钠型强酸性阳离子交换树脂，单级软化一般适用于总硬度小于5mmol/L的原水，出水残余硬度小于0.03mmol/L，可以达到低压锅炉补

46、给水水质要求；双级软化适用于进水碱度较低（小于1mmol/L)的原水，出水残余硬度小于0.005mmol/L，可以达到低中压锅炉补给水对硬度的要求。 该工艺的特点： 去除碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度；出水的含盐量以mmol/L为单位数值不变；出水碱度不变；出水的残余硬度比石灰软化工艺小。652）氢钠树脂(RH-RNa)联合软化除碱系统 对于碱度高于2mmol/L的原水，需采用软化除盐系统：RH-RNa并联或串联，其中RNa采用钠型强酸性阳树脂，用NaCl再生；RH采用同样的强酸性阳树脂，但是用HCl再生，再生后树脂为H型。除碱原理是用RH产生的H+中和水中的HCO3-，所生成的CO2用除二氧化碳器

47、吹脱去除。662）氢钠树脂(RH-RNa)并联软化除碱系统 673）氢型弱酸性阳树脂和钠型强酸性阳树脂（R弱H-RNa）串联的软化除碱系统 采用氢型弱酸性阳离子交换树脂R弱H作为第一级，去除水中的碳酸盐硬度，产生的CO2经除碳器脱气后，出水再经第二级的钠型强酸性阳树脂进行交换，除去水中的非碳酸盐硬度。 该工艺的特点： 氢型弱酸性阳树脂交换容量大，容易再生，对于碳酸盐硬度较高的原水，较为有利；强酸性阳树脂RH-RNa需配水、混合，并且RH出水为酸性，对设备腐蚀性强。R弱H-RNa系统不需配水，R弱H出水不呈酸性，因此设备简单，运行可靠；但弱酸性阳树脂价格较贵，致使初期投资较大。68基本工艺流程有

48、一级复床、二级复床、一级复床混合床等。基本工艺流程有一级复床、二级复床、一级复床混合床等。 离子交换除盐 一级复床一级复床：阳离子交换：阳离子交换除碳器除碳器阴离子交换阴离子交换 混合床混合床：阳离子交换树脂和阴离子交换树脂装在一个交换器：阳离子交换树脂和阴离子交换树脂装在一个交换器内，再生前通过反冲洗，靠阴阳树脂的密度差把树脂分层，内，再生前通过反冲洗，靠阴阳树脂的密度差把树脂分层，分别再生；然后在运行前用压缩空气把两种树脂进行搅拌，分别再生；然后在运行前用压缩空气把两种树脂进行搅拌，形成混合床。水从混合床中流过，相当于通过无数级的复床。形成混合床。水从混合床中流过，相当于通过无数级的复床。

49、691）什么叫工作交换容量？其与全交换容量的关系如何？2）为什么RH使用中多以Na+泄漏为终点？3）离子交换过程中在再生之前为什么要进行反冲洗？4）影响离子交换树脂再生效果的因素有哪些？5）简述离子交换树脂的结构特点与主要分类。6）简化离子交换软化和除盐的基本原理。思考题：70（1）饮用水处理中，既可用作预处理手段，如粉末活性炭用于水源水季节性水质恶化的强化预处理及突发性污染事故中的应急处理；又可用作深度处理手段，如颗粒活性炭用于水厂净水深度处理、优质直饮水或纯净水的生产；（2）废水处理中，吸附法主要用以脱色、除臭味、脱除重金属、各种溶解性有机物、放射性元素等，既可用作预处理，也可用作深度处理

50、，或与生化法联用。 吸附法是利用具有吸附能力的多孔性物质去除水体中吸附法是利用具有吸附能力的多孔性物质去除水体中微量溶解性杂质的一种处理工艺。微量溶解性杂质的一种处理工艺。优点：适应范围广、处理效果好、可回收有用物质、吸附优点：适应范围广、处理效果好、可回收有用物质、吸附剂经再生后可重复使用等；剂经再生后可重复使用等；缺点：对进水预处理要求较高，运转费用较贵等，吸附剂缺点：对进水预处理要求较高，运转费用较贵等，吸附剂再生较难。再生较难。3、吸附71吸附是一种表面现象，是指固体表面的分子或原子因受力不吸附是一种表面现象，是指固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表

51、面时，受均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上，被吸附分子在到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上，被吸附分子在吸附剂表面浓度高于溶液本体相中浓度。具有吸附剂表面浓度高于溶液本体相中浓度。具有一定吸附能力一定吸附能力的固体材料称为的固体材料称为吸附剂吸附剂，被吸附的物质称为，被吸附的物质称为吸附质吸附质。溶剂溶剂/水水吸附质吸附质相互作用相互作用相互作用相互作用相互作用相互作用(如溶解如溶解)吸附剂吸附剂对于固液吸附，引起对于固液吸附，引起吸附的主要原因是吸附的主要原因是溶质溶质对水的疏水作用对水的疏水作用和和吸附吸附剂对溶质的亲合力。剂对溶

52、质的亲合力。3.1 吸附机理及分类72吸附剂与被吸附吸附剂与被吸附物质之间是通过物质之间是通过分子间引力分子间引力( (即范即范德华力德华力) )而产生吸而产生吸附，称为物理吸附，称为物理吸附。一般在低温附。一般在低温下，吸附可逆。下，吸附可逆。吸附剂与被吸附物质吸附剂与被吸附物质之间产生之间产生化学作用化学作用，生，生成化学键引起吸附，称成化学键引起吸附，称为化学吸附。为化学吸附。 化学吸附是有选择化学吸附是有选择性的，且不易解吸，达性的，且不易解吸，达到平衡慢。化学吸附速到平衡慢。化学吸附速度随温度升高而增加，度随温度升高而增加，故常在高温下进行。故常在高温下进行。吸附的分类73吸附性能吸

53、附性能吸附类型吸附类型物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附作用力作用力选择性选择性吸附层吸附层吸附热吸附热吸附速度吸附速度稳定性稳定性温度的影响温度的影响分子引力分子引力一般没选择一般没选择多层吸附多层吸附较小，一般在较小，一般在41.9 kJ/mol以内以内快快不稳定，易解吸不稳定，易解吸温度升高，吸附量降低温度升高，吸附量降低化学键化学键有选择有选择单层吸附单层吸附较大，一般在较大，一般在83.7418.7KJ/mol以内以内较慢较慢较稳定，不易解吸较稳定，不易解吸温度升高，吸附速度增加温度升高，吸附速度增加物理吸附和化学吸附之间的区分并没有严格的界限。物理吸附和化学吸附之间的区分并没有严格的

54、界限。在实际的吸附过程中，上述几类吸附往往同时存在。在实际的吸附过程中，上述几类吸附往往同时存在。物理吸附和化学吸附在一定条件下也是可以互相转化物理吸附和化学吸附在一定条件下也是可以互相转化的。同一物质，可能在较低温度下进行物理吸附，而的。同一物质，可能在较低温度下进行物理吸附，而在较高温度下往往又是化学吸附。在较高温度下往往又是化学吸附。74吸附平衡 当吸附速度和解吸速度相等时，溶液中的吸附当吸附速度和解吸速度相等时，溶液中的吸附质浓度不再改变时质浓度不再改变时 吸附平衡吸附平衡 吸附剂吸附能力的大小用吸附量吸附剂吸附能力的大小用吸附量q（mg/g）表示。）表示。 达到吸附平衡时，达到吸附平

55、衡时， q = V(C0-Ce)/m (mg/g)V：废水容积：废水容积 m：吸附剂投加量：吸附剂投加量Ce：吸附平衡时，溶液中溶质浓度：吸附平衡时，溶液中溶质浓度C0：溶液初始浓度：溶液初始浓度 3.2 吸附平衡与吸附等温线75 在固体对气体的吸附中，吸附量是温度和压力的在固体对气体的吸附中，吸附量是温度和压力的函数；在固体对液体的吸附中则为温度和溶液中吸附函数；在固体对液体的吸附中则为温度和溶液中吸附质浓度的函数。质浓度的函数。 固定温度下，吸附量与浓度的关系为等温吸附，固定温度下，吸附量与浓度的关系为等温吸附，通常用通常用吸附等温线吸附等温线来描述所研究体系达到平衡时吸附来描述所研究体系

56、达到平衡时吸附量与溶液中吸附质浓度的关系，即量与溶液中吸附质浓度的关系，即在某一温度条件下，在某一温度条件下，吸附量随吸附质平衡浓度的变化曲线。吸附量随吸附质平衡浓度的变化曲线。吸附等温线76单分子层吸单分子层吸附，饱和时附，饱和时吸附量趋于吸附量趋于定值。可用定值。可用Langmiur方程描述。方程描述。BET型多型多分子层吸分子层吸附，吸附附，吸附的极限值的极限值对应于物对应于物质的溶解质的溶解度。度。 反映了毛细管凝反映了毛细管凝聚现象和孔容的聚现象和孔容的限制，由于在达限制，由于在达到饱和浓度之前到饱和浓度之前就达到平衡，因就达到平衡，因而有滞后效应。而有滞后效应。相当少见，相当少见，

57、特征是吸附特征是吸附热等于或小热等于或小于纯吸附质于纯吸附质的溶解热。的溶解热。 吸附等温线是描述吸附平衡行为的基本工具，可吸附等温线是描述吸附平衡行为的基本工具，可用于比较吸附剂的基本吸附性能。由于吸附机理在很用于比较吸附剂的基本吸附性能。由于吸附机理在很大程度上决定了吸附等温线的形状，因而对吸附等温大程度上决定了吸附等温线的形状，因而对吸附等温线分类有助于诊断吸附过程。线分类有助于诊断吸附过程。77 浓度增大曲线往上斜，如浓度增大曲线往上斜，如IV，表示吸附由单分子，表示吸附由单分子层开始向多分子层进行。层开始向多分子层进行。 曲线的形状反映吸附的难易，低浓度下曲线向曲线的形状反映吸附的难

58、易，低浓度下曲线向下弯，如下弯，如I、II、IV的初始表示分子容易被吸附；的初始表示分子容易被吸附；如不易被吸附则向上弯，如如不易被吸附则向上弯，如III、V。78 描述吸附等温线的数学表达式称为吸附等温式，描述吸附等温线的数学表达式称为吸附等温式，其种类繁多，常用的有其种类繁多，常用的有Langmuir吸附等温式、吸附等温式、Freundlich吸附等温式、吸附等温式、BET吸附等温式。吸附等温式。吸附等温式791mLeeLeq k cqk c e1111qmLemq k cq e11qeemmLccqq k Langmuir假设吸附剂表面均假设吸附剂表面均一，各处的吸附能相同，吸附一，各处

59、的吸附能相同，吸附是单分子层的；达动态平衡状是单分子层的；达动态平衡状态时，吸附和脱附速度相等。态时，吸附和脱附速度相等。（1） Langmuir 吸附等温式吸附等温式qm为单层饱和吸附量；为单层饱和吸附量；kL代表吸附能力的强弱代表吸附能力的强弱80neeKcq/11lglglgeeqKcnFreundlich等温式为经验式等温式为经验式 ，与实，与实验数据颇为吻合。验数据颇为吻合。 K表征吸附剂的吸附能力，表征吸附剂的吸附能力，n反映了反映了吸附反应强度。一般认为，吸附反应强度。一般认为，n介于介于210，易于吸附，易于吸附; n1时，为优惠时，为优惠吸附；吸附；n0.5时则难以吸附。时则

60、难以吸附。 （2）Freundlich 吸附等温式吸附等温式81/) 1(1)(qeseeseccBccBacseccaBB) 1(aB1ccqcesee）（B.E.T模型假定在原先被吸附的分子模型假定在原先被吸附的分子上面仍可吸附另外的分子，即发生上面仍可吸附另外的分子，即发生多分子层吸附，而且不一定等第一多分子层吸附，而且不一定等第一层吸满后再吸附第二层，对每一单层吸满后再吸附第二层，对每一单层都可用层都可用Langmuir式描述。式描述。 作图时须知道饱和浓作图时须知道饱和浓度度cs的值，当的值，当cs的值的值未知时，则需通过假未知时，则需通过假设不同的设不同的cs值作图数值作图数次才能